風電葉片復合材料及碳纖維應用現狀
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摘要:隨著經濟社會的不斷發(fā)展，能源逐漸短缺，風力發(fā)電技術不斷地發(fā)展成熟完善，政府相關部門也給予了很大的重視。風電葉片的尺寸大小和質量對于風力發(fā)電影響也是非常大的，為了提高風力發(fā)電的影響力，把碳纖維復合材料引進電葉片的結構中，使得風電葉片的質量過大的問題得到解決。另外，本文簡要的介紹了不同復合材料的特征和復合材料的發(fā)展簡史，分析了碳纖維復合材料應用在風電葉片中的優(yōu)點，和對風力發(fā)電的工作效率和質量的提高作用。
關鍵詞:復合材料;碳纖維;風力機葉片;應用
隨著時代的快速發(fā)展，世界范圍內的經濟發(fā)展水平都取得了重大突破，體現最為明顯的為:人們生活質量取得了很大的提升，工業(yè)化發(fā)展速度迅猛，社會經濟發(fā)展速率不斷提升。這種快速發(fā)展在給人們帶來眾多便利的同時，也引發(fā)了些許問題，生態(tài)環(huán)境的嚴重破壞就是其中一個，現如今我國自然生態(tài)環(huán)境由于工業(yè)化的迅猛發(fā)展造成了非常嚴重的破壞，在此背景之下，要求人們不斷探索各種新型能源。風力資源的發(fā)現和應用就在一定程度上減少了對生態(tài)環(huán)境的破壞程度，而且還是一種可再生資源，所以我們應該加大對其的研究和開發(fā)力度。隨著風力資源的廣泛應用，風機單機容量也在不斷擴大，而風力機葉片在風機運轉過程中發(fā)揮著至關重要的作用，如何不斷優(yōu)化風力機葉片性能，就需要我們采用更為輕質和性能更好的材料，提高風力機運行效率，是我們目前風力機葉片需要研究的一個重要課題。
1復合材料的發(fā)展史
為了方便大家理解碳纖維復合材料，在本文中對復合材料的發(fā)展史進行簡短的介紹。很早以前的遠古時代，世界上就已經擁有，并在使用復合材料，這種材料就是自生長纖維增強復合材料，這種材料在植物中常見，最多見的就是竹子。但是因為當時條件有限，這種復合材料在使用方面不發(fā)生任何的化學改變，只是進行物理上的變化，同時也沒有批量生產，所以沒有在大范圍內應用。遠古時期的人們擺脫了山頂和巖洞的居住習慣，用稻草和泥土來建造房屋，這就是一種人工參與的復合材料。隨著人類智慧的進步以及科學社會的發(fā)展，很多性能強的材料被應用于社會生產中。早在20世紀40年代，一種復合材料開啟了復合材料歷史上的新紀元，促進了復合材料的改革和發(fā)展，也是其中最具有代表性的材料，那就是玻璃纖維增強復合材料。根據相關研究，復合材料可以分為四個階段，碳纖維復合材料則屬于第二個階段，這說明了碳纖維復合材料的研究時間很長。在1960年到1980年，這段時間是碳纖維復合材料發(fā)展的第一個鼎盛時期。
2復合材料類型
復合材料按照不同的劃分標準可以分為不同的類型，按照基體材料和復合材料的增強相形態(tài)和增強纖維劃分是最為常見的一種分類方式。按照風力機葉片制造材料的不同要求可以將其劃分為金屬復合材料、聚合物復合材料、碳基復合材料以及陶瓷基復合材料幾大類，這種分類方式也可以看作是按照基體材料類型進行劃分的。每種復合材料的基體都存在一定的差異，所以由其所制成的復合材料不管是應用方面還是性能方面都存在很多差異。現如今各種復合材料都得在機械設備制造和生產領域得到了較為廣泛的應用。其中碳纖維復合材料最為明顯的應用特征就是密度適中、質量輕，所以受到了風電葉片制造行業(yè)的青睞。每種復合材料的獨特性不僅僅體現在基體材料方面，在應用范圍和特征方面也各有特色。
2．1聚合物基復合材料
聚合物基復合材料主要是由聚合物基體和增強材料組成的，被廣泛的應用于航空航天行業(yè)，它的耐疲勞性也是非常好的。聚合物基復合材料剛度非常強，在比強度和比模量方面也很高，所以經常被廣泛的應用于汽車行業(yè)。另外，聚合物基復合材料有著很高的可塑性，所以在可設計方面具有很大的優(yōu)勢，被廣泛的應用于武器裝備設計過程中。
2．2金屬基復合材料
因為金屬基復合材料有很強的導熱性能，所以被廣泛的應用于渦輪發(fā)動機的設計中。金屬基復合材料與其他種類的材料相比較有著很強的耐磨性，通常也被應用到航空航天事業(yè)中。
2．3陶瓷基復合材料
眾所周知，陶瓷是我國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的載體，有著很強的耐熱性和耐磨損性等特點。陶瓷基復合材料被廣泛的應用于工業(yè)領域，比如火箭發(fā)動機的噴管。
2．4碳復合材料
碳復合材料的優(yōu)點也很多，比如，導電能力良好，質輕，強度較高，熱傳導能力也好，不論是在飛機制造行業(yè)還是船舶工業(yè)領域，都受到了廣泛的應用。與金屬制件相比，利用碳纖維復合材料制作的制件在重量上要輕20%到35%，可以增加飛行器的飛行里程。
3碳纖維復合材料應用于葉片中的優(yōu)勢
3．1減輕葉片重量
傳統(tǒng)風電葉片發(fā)電的過程中，風電葉片質量過重的問題一直存在，把碳纖維復合材料應用到風電葉片的制造和設計過程中，就可以在一定程度上減小風電葉片對主機和塔筒結構造成的荷載。與此同時，碳纖維加入其中，還可以增加葉片的剛度，從而減小風電葉片碰到塔筒時發(fā)生故障的頻率。
3．2有效提升風能利用率
有關研究表明，一般擁有較強剛度的材料都能夠在一定程度上提高資源的利用率。如果使用傳統(tǒng)的材料來制作和設計風電葉片時，就不能很好的發(fā)揮風電葉片的作用，風能轉化率自然就低，從而降低了風能利用率。碳纖維復合材料就有很高的模量和很強的剛度，把碳纖維復合材料用于風力機葉片中，就可以有效的提高風力發(fā)電的效率。換言之，在風力發(fā)電設備工作的過程中，通過提高風電葉片的材料性能就能夠提高設備的工作效率。
3．3碳纖維導電，在葉片除冰方面的優(yōu)勢
一般情況下，氣溫低于0攝氏度，在空氣中有著潮濕的雨，霜，霧，雪等水汽團，形成冰晶落下，或遇到物體表面非常寒冷的情況時就會在物體表面結冰。影響風電葉片結冰的主要因素有氣溫，液態(tài)水含量，風速以及持續(xù)的時間等。用碳纖維材料來制作風電葉片蒙皮層，并將加熱電纜安裝在主軸上的滑環(huán)上。工作人員不僅可以利用碳纖維導電性能好的特征，消除葉片表面的冰，還可以提高設備的發(fā)電效率。
4碳纖維復合材料在風電葉片中的應用
我國以往傳統(tǒng)的風力機葉片基本上都是采用帆布、木材或者是金屬相關材料，隨著時代的進步和發(fā)展，市場上出現了越來越多種類的新型復合材料，也逐漸被應用到風機葉片制造過程中，常見的有玻璃纖維增強復合材料和碳纖維增強復合材料。這里所說的纖維增強復合材料是由增強纖維和基體兩項內容所組成，基體一般情況下都是采用熱固性塑料或者是熱塑性材料，此類材料的模量和強度都不是很好，但是彈塑性和和粘彈性卻非常好，應變能力比較強，纖維充填材料的直徑通常情況下都控制在10μm以內，而且在實際使用過程中不太容易出現損傷、腐蝕和斷裂現象。風電葉片設計人員為了提高葉片的發(fā)電效率，需要加強葉片的長度，但是其質量也會增加。因為葉片長度的平方與風機葉輪捕獲的風能和產生的電能成正比。但是葉片的質量增加要大于能量的提取。在極端風力的作用下，也不能使葉尖觸碰到塔架。所以在進行葉片制作的過程中，就需要采用剛度較強的材料，減輕葉片質量的同時，還要保證它的剛度和強度不會下降。既要減輕葉片的重量，又要滿足其強度和剛度的要求，就是要采用碳纖維復合材料。碳纖維復合材料作為一種新興的復合材料，將這一材料運用到風電葉片的制作過程中，不僅可以滿足風力發(fā)電裝置的要求，還可以打破玻璃纖維復合材料的局限，保證在增加風電葉片長度的基礎上，減少風電葉片的重量，還可以具有較強的剛性。在制作風電葉片的過程中，選用碳纖維材料進行制作更加的節(jié)約材料，重量較輕也便于運輸，安裝的成本也較低，使企業(yè)的經濟效益得到提高。據相關專家研究表示，現在沒有任何一款材料可以非常適合的滿足大功率風力發(fā)電的需要，玻璃纖維復合材料的性能已經發(fā)揮到極致，把性能較好的碳纖維復合材料運用在更大功率風力發(fā)電的裝置中，可以有效地提高工作效率。實際上，當葉片超過一定的尺寸時，因為材料用量，勞動力，安裝和運輸的成本都在下降，所以碳纖維葉片就比玻纖維葉片便宜的多。在風電葉片制作上，碳纖維復合材料的應用工藝主要有三種，分別是:預浸料織物成型工藝，碳梁片材拉擠成型工藝，碳纖維織物VARTM成型工藝，因為拉擠成型工藝質量穩(wěn)定，成型效率高，以及產品的抗拉性能高等特點，所以具有標準化生產的優(yōu)勢。從目前來看，拉擠碳梁片材已經逐步取代了預浸料和碳纖維織物。2019年風電葉片行業(yè)用碳纖維量超過2萬噸，其中80%就是用于生產拉擠碳梁片材。需要關注的是，相關的專業(yè)人士提出，我國碳纖維復合材料在風力機葉片上的應用遠遠的落后于世界領頭羊的進度，所以業(yè)內的相關技術研發(fā)人員需要不斷的努力，加強碳纖維復合材料在風力機中的應用。
5結語
總而言之，在風電葉片運行的過程中，傳統(tǒng)的材料葉片會導致其發(fā)電效率不高，尤其是在環(huán)境較為惡劣的天氣，它的發(fā)電質量非常差。碳纖維復合材料有著高強的耐熱性和耐久性，以及較強的剛性，應用在風電葉片中，可以有效地提高風力發(fā)電設備的工作效率，與此同時，也提高了發(fā)電的質量。相關的工作人員要順應社會的發(fā)展，將碳纖維復合材料應用在風力發(fā)電的過程中。
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作者：熊皓 王學花 張純琛 尹希榮 單位：天津中車風電葉片工程有限公司